Come si muovono le molecole nel trasporto attivo

Meccanismo di trasporto delle molecole cellulari contro il gradiente di concentrazione

Questo articolo riguarda il trasporto in biologia cellulare. Per i sistemi umani, vedi mobilità attiva.

In biologia cellulare, il trasporto attivo è il movimento di molecole o ioni attraverso una membrana cellulare da una regione di concentrazione più bassa a una regione di concentrazione più alta, contro il gradiente di concentrazione. Il trasporto attivo richiede energia cellulare per realizzare questo movimento. Esistono due tipi di trasporto attivo: il trasporto attivo primario che utilizza l'adenosina trifosfato (ATP) e il trasporto attivo secondario che utilizza un gradiente elettrochimico. Questo processo è in contrasto con il trasporto passivo, che consente alle molecole o agli ioni di spostarsi lungo il loro gradiente di concentrazione, da un'area di alta concentrazione a un'area di bassa concentrazione, senza energia.

attivo Il trasporto è essenziale per vari processi fisiologici, come l'assorbimento dei nutrienti, la secrezione ormonale e la trasmissione degli impulsi nervosi. Ad esempio, la pompa sodio-potassio utilizza l'ATP per pompare gli ioni sodio fuori dalla cellula e gli ioni potassio nella cellula, mantenendo un gradiente di concentrazione essenziale per la funzione cellulare. Il trasporto attivo è altamente selettivo e regolato, con diversi trasportatori specifici per diverse molecole o ioni. La disregolazione del trasporto attivo può portare a vari disturbi, tra cui la fibrosi cistica, causata da un malfunzionamento del canale del cloro, e il diabete, derivante da difetti nel trasporto del glucosio nelle cellule.

A

differenza del trasporto passivo, che utilizza l'energia cinetica e l'entropia naturale delle molecole che si muovono lungo un gradiente, il trasporto attivo utilizza l'energia cellulare per muoverle contro un gradiente, una repulsione polare o altre resistenze. Attivo Il trasporto è solitamente associato all'accumulo di alte concentrazioni di molecole di cui la cellula ha bisogno, come ioni, glucosio e aminoacidi. Esempi di trasporto attivo includono l'assorbimento del glucosio nell'intestino nell'uomo e l'assorbimento di ioni minerali nelle cellule ciliate delle radici. ^[1]

Nel

1848, il fisiologo tedesco Emil du Bois-Reymond suggerì la possibilità di un trasporto attivo di sostanze attraverso le membrane. ^[2]

Nel 1926, Dennis Robert Hoagland studiò la capacità delle piante di assorbire i sali contro un gradiente di concentrazione e scoprì la dipendenza dell'assorbimento e della traslocazione dei nutrienti dall'energia metabolica utilizzando sistemi modello innovativi in condizioni sperimentali controllate. ^[3]

Rosenberg (1948) formulò il concetto di trasporto attivo sulla base di considerazioni energetiche, ^[4] ma in seguito sarebbe stato ridefinito.

Nel 1997, Jens Christian Skou, un medico danese ^[5] ha ricevuto il Premio Nobel per la chimica per le sue ricerche sulla pompa sodio-potassio. ^[5]

Una categoria di cotrasportatori che è particolarmente importante nella ricerca sul trattamento del diabete ^[6] è quella dei cotrasportatori sodio-glucosio. Questi trasportatori sono stati scoperti dagli scienziati dell'Istituto Sanitario Nazionale. ^[7] Questi scienziati avevano notato una discrepanza nell'assorbimento del glucosio in diversi punti del tubulo renale di un ratto. Il gene è stato quindi scoperto per la proteina di trasporto del glucosio intestinale e collegato a questi sistemi di cotrasporto del glucosio e del sodio di membrana. La prima di queste proteine di trasporto di membrana è stata chiamata SGLT1, seguita dalla scoperta di SGLT2. ^[7] Anche Robert Krane ha svolto un ruolo di primo piano in questo campo.

Proteine

transmembrana specializzate riconoscono la sostanza e le permettono di muoversi attraverso la membrana quando altrimenti non lo farebbe, sia perché il doppio strato fosfolipidico della membrana è impermeabile alla sostanza spostata sia perché la sostanza viene mossa contro la direzione del suo gradiente di concentrazione. Esistono due forme di trasporto attivo, il trasporto attivo primario e il trasporto attivo secondario. Nel trasporto attivo primario, le proteine coinvolte sono pompe che normalmente utilizzano energia chimica sotto forma di ATP. Il trasporto attivo secondario, tuttavia, fa uso di energia potenziale, che di solito è derivata attraverso lo sfruttamento di un gradiente elettrochimico. L'energia creata da uno ione che si muove lungo il suo gradiente elettrochimico viene utilizzata per alimentare il trasporto di un altro ione che si muove contro il suo gradiente elettrochimico. ^[9] Ciò comporta la formazione dei pori proteine che formano canali attraverso la membrana cellulare. La differenza tra trasporto passivo e trasporto attivo è che il trasporto attivo richiede energia e sposta le sostanze contro il rispettivo gradiente di concentrazione, mentre il trasporto passivo non richiede energia cellulare e sposta le sostanze nella direzione del rispettivo gradiente di concentrazione. ^[10]

In un antiporter, un substrato viene trasportato in una direzione attraverso la membrana mentre un altro viene cotrasportato nella direzione opposta. In un symporter, due substrati vengono trasportati nella stessa direzione attraverso la membrana. I processi di antiporto e simporto sono associati al trasporto attivo secondario, il che significa che una delle due sostanze viene trasportata contro il suo gradiente di concentrazione, utilizzando l'energia derivata dal trasporto di un altro ione (per lo più ioni Na ⁺ , K ⁺ o H ⁺) lungo il suo gradiente di concentrazione.

Se le molecole di substrato si spostano da aree di concentrazione più bassa ad aree di concentrazione più alta ^[11] (cioè nella direzione opposta o contro il gradiente di concentrazione), sono necessarie specifiche proteine trasportatrici transmembrana. Queste proteine hanno recettori che si legano a molecole specifiche (ad esempio, il glucosio) e le trasportano attraverso la membrana cellulare. Poiché in questo processo è necessaria energia, si parla di trasporto "attivo". Esempi di trasporto attivo includono il trasporto di sodio fuori dalla cellula e di potassio nella cellula da parte della pompa sodio-potassio. Il trasporto attivo avviene spesso nel rivestimento interno dell'intestino tenue.

Le piante hanno bisogno di assorbire sali minerali dal terreno o da altre fonti, ma questi sali esistono in una soluzione molto diluita. Il trasporto attivo consente a queste cellule di assorbire i sali da questa soluzione diluita in senso contrario alla direzione del gradiente di concentrazione. Ad esempio, gli ioni cloruro (Cl ⁻ ) e nitrato (NO ₃ ⁻ ) esistono nel citosol delle cellule vegetali e devono essere trasportati nel vacuolo. Mentre il vacuolo ha canali per questi ioni, il loro trasporto è contro il gradiente di concentrazione, e quindi il movimento di questi ioni è guidato da pompe a idrogeno, o pompe protoniche. ^[9]

Trasporto

attivo primario

Il trasporto attivo primario, chiamato anche trasporto attivo diretto, utilizza direttamente l'energia metabolica per trasportare molecole attraverso una membrana. ^[12] Le sostanze che vengono trasportate attraverso la membrana cellulare dal trasporto attivo primario includono ioni metallici, come Na ⁺ , K ⁺ , Mg ²⁺ e Ca ²⁺ . Queste particelle cariche richiedono pompe ioniche o canali ionici per attraversare le membrane e distribuirsi attraverso il corpo.

La maggior parte degli enzimi che svolgono questo tipo di trasporto sono ATPasi transmembrana. Una primaria ATPasi universale per tutta la vita animale è la pompa sodio-potassio, che aiuta a mantenere il potenziale cellulare. La pompa sodio-potassio mantiene il potenziale di membrana spostando tre ioni Na ⁺ fuori dalla cellula per ogni due ^[13] ioni K ⁺ spostati nella cellula. Altre fonti di energia per il trasporto attivo primario sono l'energia redox e l'energia fotonica (luce). Un esempio di trasporto attivo primario che utilizza l'energia redox è la catena di trasporto degli elettroni mitocondriali che utilizza l'energia di riduzione del NADH per spostare i protoni attraverso la membrana mitocondriale interna contro il loro gradiente di concentrazione. Un esempio di trasporto attivo primario che utilizza l'energia luminosa sono le proteine coinvolte nella fotosintesi che utilizzano l'energia dei fotoni per creare un gradiente protonico attraverso la membrana tilacoide e anche per creare potenza di riduzione sotto forma di NADPH.

Modello di trasporto attivo L'idrolisi

dell'ATP viene utilizzata per trasportare gli ioni idrogeno contro il gradiente elettrochimico (da bassa ad alta concentrazione di ioni idrogeno). La fosforilazione della proteina trasportatrice e il legame di uno ione idrogeno inducono un cambiamento conformazionale (forma) che spinge gli ioni idrogeno a trasportarsi contro il gradiente elettrochimico. L'idrolisi del gruppo fosfato legato e il rilascio dello ione idrogeno ripristina quindi il vettore alla sua conformazione originale. ^[14]

Tipi di trasportatori attivi primari

1. ATPasi di tipo P: pompa di sodio potassio, pompa di calcio, pompa protonica
2. F-ATPasi: ATP sintasi mitocondriale, cloroplasto ATP sintasi
3. V-ATPasi: ATPasi vacuolare
4. ABC (cassetta legante l'ATP) trasportatore: MDR, CFTR, ecc.

Cassetta legante l'adenosina trifosfato I trasportatori (trasportatori ABC) comprendono una famiglia di proteine ampia e diversificata, spesso funzionanti come pompe azionate da ATP. Di solito, ci sono diversi domini coinvolti nella struttura complessiva della proteina trasportatrice, inclusi due domini di legame nucleotidico che costituiscono il motivo di legame dell'ATP e due domini transmembrana idrofobici che creano la componente "porosa". In termini generali, i trasportatori ABC sono coinvolti nell'importazione o nell'esportazione di molecole attraverso una membrana cellulare; Eppure all'interno della famiglia delle proteine c'è una vasta gamma di funzioni. ^[15]

Nelle piante, i trasportatori ABC si trovano spesso all'interno delle membrane cellulari e degli organelli, come i mitocondri, i cloroplasti e la membrana plasmatica. Ci sono prove a sostegno del fatto che i trasportatori ABC delle piante svolgono un ruolo diretto nella risposta ai patogeni, nel trasporto dei fitormoni e nella disintossicazione. ^[15] Inoltre, alcuni trasportatori ABC delle piante possono funzionare in esportando attivamente composti volatili ^[16] e metaboliti antimicrobici. ^[17]

Nei fiori di petunia ( Petunia hybrida ), il trasportatore ABC PhABCG1 è coinvolto nel trasporto attivo di composti organici volatili. PhABCG1 è espresso nei petali dei fiori aperti. In generale, i composti volatili possono promuovere l'attrazione degli organismi che disperdono i semi e degli impollinatori, oltre ad aiutare nella difesa, nella segnalazione, nell'allelopatia e nella protezione. Per studiare la proteina PhABCG1, sono state create linee di interferenza dell'RNA della petunia transgenica con livelli di espressione di PhABCG1 diminuiti. In queste linee transgeniche è stata osservata una diminuzione dell'emissione di composti volatili. Pertanto, PhABCG1 è probabilmente coinvolto nell'esportazione di composti volatili. Gli esperimenti successivi hanno comportato l'incubazione di linee di controllo e transgeniche che esprimevano PhABCG1 per testare l'attività di trasporto che coinvolge diversi Substrati. In definitiva, PhABCG1 è responsabile del trasporto mediato da proteine di composti organici volatili, come l'alcol benzilico e il metilbenzoato, attraverso la membrana plasmatica. ^[16]

Inoltre, nelle piante, i trasportatori ABC possono essere coinvolti nel trasporto di metaboliti cellulari. Si ipotizza che i trasportatori ABC della resistenza ai farmaci pleiotropici siano coinvolti nella risposta allo stress ed esportino metaboliti antimicrobici. Un esempio di questo tipo di trasportatore ABC è la proteina NtPDR1. Questo trasportatore ABC unico si trova nelle cellule BY2 di Nicotiana tabacum ed è espresso in presenza di elicitori microbici. NtPDR1 è localizzato nell'epidermide della radice e nei tricomi aerei della pianta. Esperimenti con anticorpi specificamente mirati a NtPDR1 seguiti da Western blotting hanno permesso di determinare questa localizzazione. Inoltre, è probabile che la proteina NtPDR1 trasporti attivamente molecole diterpeniche antimicrobiche, che sono tossiche per la cellula ad alti livelli. ^[17]

Nel

trasporto attivo secondario, noto anche come cotrasporto o trasporto accoppiato, l'energia viene utilizzata per trasportare molecole attraverso una membrana; tuttavia, a differenza del trasporto attivo primario, non esiste un accoppiamento diretto dell'ATP. Invece, si basa sulla differenza di potenziale elettrochimico creata dal pompaggio di ioni dentro/fuori dalla cella. ^[18] Permettere a uno ione o a una molecola di muoversi lungo un gradiente elettrochimico, ma possibilmente contro il gradiente di concentrazione in cui è più concentrato rispetto a quello in cui è meno concentrato, aumenta l'entropia e può servire come fonte di energia per il metabolismo (ad esempio nell'ATP sintasi). L'energia derivata dal pompaggio di protoni attraverso una membrana cellulare è spesso utilizzata come fonte di energia nel trasporto attivo secondario. Nell'uomo, il sodio (Na ⁺ ) è uno ione comunemente cotrasportato attraverso la membrana plasmatica, il cui gradiente elettrochimico viene quindi utilizzato per alimentare il trasporto attivo di un secondo ione o molecola contro il suo gradiente. ^[19] Nei batteri e nelle piccole cellule di lievito, uno ione comunemente cotrasportato è l'idrogeno. ^[19] Le pompe per idrogeno vengono utilizzate anche per creare un gradiente elettrochimico per eseguire processi all'interno delle cellule, come nella catena di trasporto degli elettroni, un'importante funzione della respirazione cellulare che avviene nel mitocondrio della cellula. ^[20]

Nell'agosto del 1960, a Praga, Robert K. Crane presentò per la prima volta la sua scoperta del cotrasporto sodio-glucosio come meccanismo per l'assorbimento intestinale del glucosio. ^[21] La scoperta del cotrasporto da parte di Crane è stata la prima proposta in assoluto di accoppiamento di flusso in biologia. ^{[22] [23]}

I cotrasportatori possono essere classificati come simportatori e antiportatori a seconda che le sostanze si muovano nella stessa direzione o in direzioni opposte.

Antiporter

In un antiporter due specie di ioni o altri soluti vengono pompati in direzioni opposte attraverso una membrana. A una di queste specie viene permesso di fluire da un'alta a una bassa concentrazione, il che produce l'energia entropica per guidare il trasporto dell'altro soluto da una regione a bassa concentrazione ad una alta.

Un esempio è lo scambiatore sodio-calcio o antiporter, che consente a tre ioni sodio nella cellula di trasportare un calcio verso l'esterno. ^[24] Questo meccanismo antiporter è importante all'interno delle membrane delle cellule muscolari cardiache al fine di mantenere bassa la concentrazione di calcio nel citoplasma. ^[9] Molte cellule possiedono anche ATPasi di calcio, che può operare a concentrazioni intracellulari inferiori di calcio e imposta la concentrazione normale o a riposo di questo importante secondo messaggero. ^[25] Ma l'ATPasi esporta ioni calcio più lentamente: solo 30 al secondo contro i 2000 al secondo dello scambiatore. Lo scambiatore entra in servizio quando la concentrazione di calcio aumenta bruscamente o "picchia" e consente un rapido recupero. ^[26] Ciò dimostra che un singolo tipo di ione può essere trasportato da diversi enzimi, che non devono essere attivi tutto il tempo (costitutivamente), ma possono esistere per soddisfare esigenze specifiche e intermittenti.

Trasportatore

Un trasportatore utilizza il movimento discendente di una specie di soluto da alta a bassa concentrazione per spostare un'altra molecola in salita da bassa concentrazione ad alta concentrazione (contro il suo gradiente di concentrazione). Entrambe le molecole vengono trasportate nella stessa direzione.

Un esempio è il trasportatore del glucosio SGLT1, che co-trasporta un glucosio (o galattosio) molecola nella cellula per ogni due ioni sodio che importa nella cellula. ^[27] Questo trasportatore si trova nell'intestino tenue, [^28], nel cuore ^[29] e nel cervello. ^[30] Si trova anche nel segmento S3 del tubulo prossimale in ciascun nefrone dei reni. ^[31] Il suo meccanismo è sfruttato nella terapia di reidratazione del glucosio ^[32] Questo meccanismo utilizza l'assorbimento dello zucchero attraverso le pareti dell'intestino per attirare l'acqua insieme ad esso. ^[32] I difetti di SGLT2 impediscono l'efficace riassorbimento del glucosio, causando la glucosuria renale familiare. ^[33]

Articoli

principali: Endocitosi ed esocitosi

L'endocitosi e l'esocitosi sono entrambe forme di trasporto di massa che spostano materiali dentro e fuori le cellule, rispettivamente, attraverso le vescicole. Nel caso dell'endocitosi, la membrana cellulare si ripiega attorno ai materiali desiderati all'esterno della cellula. ^[35] La particella ingerita rimane intrappolata all'interno di una sacca, nota come vescicola, all'interno del citoplasma. Spesso gli enzimi dei lisosomi vengono poi utilizzati per digerire le molecole assorbite da questo processo. Le sostanze che entrano nella cellula attraverso l'elettrolisi mediata dal segnale includono proteine, ormoni e fattori di crescita e stabilizzazione. ^[36] I virus entrano nelle cellule attraverso una forma di endocitosi che coinvolge la loro membrana esterna che si fonde con la membrana della cellula. Questo forza il DNA virale nella cellula ospite. ^[37]

I biologi distinguono due tipi principali di endocitosi: la pinocitosi e la fagocitosi. ^[38]

• Nella pinocitosi, le cellule inghiottono le particelle liquide (nell'uomo questo processo avviene nell'intestino tenue, dove le cellule inghiottono le goccioline di grasso).
• Nella fagocitosi, le cellule inghiottono le particelle solide. ^[40]

L'esocitosi comporta la rimozione di sostanze attraverso la fusione della membrana cellulare esterna e di una membrana vescicolare. ^[41] Un esempio di esocitosi potrebbe essere la trasmissione di neurotrasmettitori attraverso una sinapsi tra le cellule cerebrali.

Vedi anche

Riferimenti

Collegamenti esterni